Материал: полезная метода

Это объясняется тем, что карбонаты магния и железа, в отличие от карбоната кальция, более растворимы, чем их гидроксиды.

Если временная жесткость предварительно не была устранена, то вышеприведенные процессы протекают при нагревании воды в паровых котлах, системах водяного отопления и охлаждения, бытовой металлической посуде с образованием в них слоя накипи из нерастворимых соединений. Это снижает коэффициенты теплопередачи и ухудшает их теплотехнические характеристики. При этом происходит перерасход топлива и перегрев металлических поверхностей. Чем больше железа содержится в воде, тем более бурым является цвет накипи.

При термической обработке воды удается также снизить и содержание в ней растворимых газов, т. к. их растворимость с увеличением температуры падает.

Химическая обработка воды (реагентный метод)

Этот метод позволяет устранить как временную жесткость, так и постоянную. Сущность его заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения. К числу таких реагентов относятся: сода Na2CO3, негашеная CaO и гашеная Ca(OH)2 извести, различные фосфаты натрия (Na3PO4, Na6P6O18) и др. При обработке воды известью (гашеной или негашеной) происходит устранение ее временной жесткости и одновременное снижение ее щелочности. Процесс называется известкованием или декарбонизацией.

Обработка известью позволяет связать и растворенный в воде углекислый газ. Использование фосфатов натрия предпочтительнее, так как образующие фосфаты кальция, магния и железа менее растворимы, чем соответствующие их карбонаты и гидроксиды. Для одновременного устранения карбонатной и некарбонатной жесткости широкое распространение в промышленности получил известково – содовый метод: обработка воды смесью СаО и Nа2СО3. Вода, умягченная этим способом, имеет остаточную жесткость равную 0, 5 – 0, 1 ммоль-экв/л. Он становится еще более эффективным, если его проводить при нагревании, сочетая достоинства химического и термического методов.

Ионообменный метод – современный физико – химический метод, широко используемый в промышленности, особенно в гидрометаллургии. Использование его для умягчения и деминерализации воды позволяет не только уменьшить ее жесткость, но достичь ее глубокой очистки. Вода, подвергшаяся такой обработке, практически не содержит посторонних ионов: ни катионов, ни анионов. Метод основан на способности некоторых веществ, не растворимых в воде, стехиометрически обменивать свои ионы на ионы внешней среды (воды, растворов электролитов). Вещества, обладающие такими свойствами, называют ионообменниками (ионообменными сорбентами) или сокращенно ионитами. Большинство

214

ионитов – твердые, ограниченно набухающие вещества, аморфной или кристаллической структуры. Они состоят из каркаса (матрицы) и закрепленных на нем иогенных (активных функциональных) или комплексообразующих групп. Эти группы диссоциируют, давая полионы (фиксированные ионы, ковалентно связанные с каркасом) и эквивалентное число подвижных противоионов, способных к обмену и компенсирующих своими зарядами заряды полионов.

Ионный обмен - это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.

В водоподготовке ионный обмен применяют для умягчения воды, обессоливания, селективного удаления из воды различных ионов и т.д. Умягчение воды представляет собой процесс обработки связанный со снижением концентрации находящихся в воде ионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), обуславливающих жесткость воды. Подлежащая очистке вода проходит через один или систему фильтров, заполненных ионитами, подбираемыми в зависимости от требуемой задачи. Иониты удаляют из воды соответствующие ионы и обмениваются с водой эквивалентными количествами других ионов, которые первоначально находились в ионите. Обменивающиеся ионы называются противоионами. Иониты состоят из неподвижного каркаса - матрицы и функциональных групп - фиксированных ионов, которые жестко прикреплены к матрице и взаимодействуют с противоионами.

Большинство ионитов – твердые, ограниченно набухающие вещества, аморфной или кристаллической структуры. Они состоят из каркаса (матрицы) и закрепленных на нем ионогенных (активных функциональных) или комплексообразующих групп. Эти группы диссоциируют, давая полионы (фиксированные ионы, ковалентно связанные с каркасом) и эквивалентное число подвижных противоионов, способных к обмену и компенсирующих своими зарядами заряды полионов. В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят на катиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, т.е. являются катионами (например, ионы водорода Н+ или ионы металлов), ионит называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, т.е. являются анионами (например, ион гидроксила ОН– или кислотные остатки), ионит называют анионитом. Т. е. по знаку заряду обменивающихся ионов, иониты делятся на катиониты, аниониты и амфолиты, по химической природе каркаса – на неорганические, органические и минерально – органические.

215

§3. Лабораторная работа «Жесткость воды»

Опыт 1. Определение временной жесткости воды.

Пипеткой на 100 мл отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды. В каждую из колб добавим по 3 капли раствора индикатора – метилового оранжевого (щелочной раствор имеет желтую окраску, а кислый – красную). В бюретку на 50 мл нальем до приблизительного 0 значения 0, 1н раствор соляной кислоты и запишем точное значение начального положения уровня кислоты (по нижнему уровню мениска). Поставим обе колбы на лист белой бумаги. Одну из них оставим в сторону, она будет служит контрольным образцом для сравнения цвета растворов. Во вторую по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 1 н раствора соляной кислоты до перехода окраски раствора от желтой до оранжево – красной и сравним с цветом раствора, находящимся

впервой колбе.

Вмомент изменения окраски запишем значение положения уровня раствора кислоты (по нижнему краю мениска) в бюретке и вычислим израсходованный на титрование объем соляной кислоты. Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться. Если такое произойдет, то эксперимент придется повторить. При добавлении метилового оранжевого индикатора в воду она становится желтой, а при добавлении потом туда соляной кислоты цвет меняется на красный.

Уравнение реакции.

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 ↑ + H2O Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O + 2CO2 ↑

Проведение расчетов.

Рассчитаем среднее значение объема кислоты, пошедшей на титрование, и по нему вычислим временную жесткость воды.

V V V

VcpHCl 1 2 3

3

NBP NHCl VcpHCl 1000,ммоль экв/ л

VH2O

Вывод. По полученным данным о жесткости воды, можно утверждать, что вода очень мягкая, так как значение жесткости меньше 1, 5 единиц по ГОСТ.

Опыт 2. Определение общей жесткости воды. Ход эксперимента.

В бюретке (на 50 мл) заполним 0, 05н трилона Б до примерно нулевого деления и запишем точное положение уровня по нижнему краю

216

мениска. Пипеткой (на 100 мл) отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды, добавим в них 5 мл буферного раствора и сухой соли эриохрома черного, и перемешаем.

Поставим обе колбы на лист белой бумаги, затем одну из колб будем использовать в качестве контрольного образца для сравнения цвета растворов. Во вторую, по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 05 раствора трилона Б до перехода окраски от одной капли из винно – красной в фиолетовую. Подождем 1 – 2 минуты, перемешивая раствор. Если окраска не стала сине – голубой с зеленоватым оттенком, доведем ее до этого цвета, добавив еще несколько капель раствора трилона Б из бюретки. Сравним цвет рабочего раствора с окраской контрольного раствора в первой колбе. В момент изменения окраски запишем положение уровня раствора трилона Б в бюретки по нижнему мениску и вычислим израсходованный на титрование объем трилона Б.

Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться друг от друга. Если все же отличаются, опыт придется повторить. При добавлении эриохрома черного в раствор, цвет раствора становится розоватым. А при добавлении туда избытка раствора трилона Б цвет меняется на сине – голубой.

Рассчитаем среднее из близких результатов значение объема трилона Б, пошедшего на титрование, и по нему вычислим общую жесткость воды.

VcpТрилонБ V1 V2 V3

3

NBP NТрилонБ VcpТрилонБ 1000,ммоль экв / л

VH2O

Вывод. По полученному значению жесткости можно сделать вывод, что вода очень мягкая, так как значение жесткости меньше 1, 5 единиц по ГОСТ.

Опыт 3. Устранение некарбонатной жесткости. Ход эксперимента.

В чистую пробирку с помощью пипетки (на 5 мл) отмерим 5 мл раствора MgSO4. Добавим к нему 1 каплю 0, 2 н раствора Na2CO3 . При образовании осадка, перемешаем до его растворения. Добавляют раствор Na2CO3 до тех пор, пока осадок перестанет растворяться.

То же самое проделаем с растворами CaCl2 и CaSO4.

Результаты наблюдений и уравнения реакций запишите в таблицу 2.

217

Таблица 2. Результаты наблюдений и уравнения реакций

Вывод. Так как осадок при взаимодействии MgSO4 практически нерастворим, то его концентрация выше, чем у осадков CaCl2 и CaSO4, а следовательно этот реагент эффективней устраняет жесткость воды, чем CaSO4 и CaCl2, и следовательно, хуже всех устраняет жесткость CaSO4.

§4. Примеры решения задач

Пример 1. Вычислите временную жесткость воды, зная, что в 500 л ее содержится 202,5 г Ca(HCO3)2.

Решение Временная жесткость воды обусловлена наличием соли гидрокарбоната

воды:

.

Пример 2. Сколько граммов CaSO4 содержится в 1 м3 воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 ммоль/дм3? Решение

Молярная масса СаSO4 равна 136 г/моль; молярная масса эквивалента равна:

. Затем находим, сколько граммов сульфата кальция содержится в 1 м3 (1м3 = 1000 дм3) воды:

Пример 3. Какую массу соды надо добавить к 500 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 5 ммоль/дм3?

Решение

218